Buzz
Bước tiến mới trong lịch sử thiên văn học: khả năng đo lường khoảng cách giữa các thiên hà được nâng cao, mở ra một thời đại mới trong việc 'lập bản đồ' cấu trúc của Vũ trụ toàn cầu.
Một nhà thiên văn sử dụng một loạt các công cụ thiên văn đắt tiền để mong chờ 'ánh sáng đầu tiên'. Sau nhiều năm chuẩn bị về công cụ và thuật toán tính toán quỹ đạo của ánh sáng, họ kiên nhẫn chờ đợi những tia sáng đầu tiên từ một thiên thể xa xôi đến ống kính của họ.
Ánh sáng đầu tiên không chỉ đơn thuần là điều đó: đôi khi nó còn mang lại dữ liệu mới, mở ra những khía cạnh mới của khoa học.
Vào ngày 22 tháng Mười, Thiết bị Quang Phổ Năng Lượng Tối (DESI) tại Đài Thiên Văn Mayall ở Arizona, Mỹ đã đạt được 'ánh sáng đầu tiên'. Đây là bước tiến lớn trong lịch sử thiên văn học: khả năng đo lường khoảng cách giữa các thiên hà đã được cải thiện, mở ra một thời kỳ mới trong việc 'lập bản đồ' cấu trúc của Vũ trụ toàn cầu.
Ánh sáng đầu tiên này cũng mang theo ý nghĩa khác: nó có thể là chìa khóa để giải thích 'năng lượng tối', lực mạnh mẽ được cho là làm cho Vũ trụ mở rộng. Dựa trên mô hình của lý thuyết Vũ trụ hiện đại, năng lượng tối dường như chiếm 68% tổng năng lượng của Vũ trụ.
Vũ trụ là một hỗn độn tinh tế. Các thiên hà tụ hợp lại thành nhóm từ vài cái đến vài chục thiên hà. Bên cạnh đó, cũng có các cụm thiên hà chứa hàng trăm hoặc hàng nghìn thiên hà, và thậm chí cả siêu cụm thiên hà với hàng ngàn cụm nhỏ. Từ những bản đồ Vũ trụ đầu tiên, được vẽ bởi Khảo sát Redshift tại Trung tâm Vật lý Thiên văn, chúng ta đã thấy rằng Vũ trụ có sự phức tạp và rối rắm như thế nào.
Đây là những hình ảnh đầu tiên để chúng ta thấy tỷ lệ của các cấu trúc vô cùng lớn trong Vũ trụ, với những thiên hà mở rộng đến hàng trăm triệu năm ánh sáng.
Khảo sát từ Trung tâm Vật lý Thiên văn (CfA) chỉ có thể tạo ra một mô hình thiên hà mỗi lần họ làm việc. Số lượng công việc quá lớn để họ có thể nắm bắt nhiều thiên hà cùng một lúc; họ phải đo quang phổ của ánh sáng phát ra từ thiên hà, xác định các dấu vết của các yếu tố hóa học chủ yếu là hydro, nitro và oxy.
Các dấu vết hóa học này tạo ra các bước sóng có màu đỏ, phát sinh từ hiệu ứng giãn nở của Vũ trụ.
Nhà thiên văn Vesto Slipher là người đầu tiên phát hiện ra các 'dấu vết chuyển màu đỏ', mở đường cho sự hiểu biết về luật Hubble - nguyên lý đầu tiên quan sát và giải thích sự mở rộng của Vũ trụ, một nguyên lý thường được sử dụng để ủng hộ mô hình Big Bang. Luật Hubble cho thấy các thiên hà ở xa đang thực sự di chuyển xa khỏi chúng ta với tốc độ ngày càng tăng.
Sự di chuyển này chỉ ra rằng các thiên hà gần chúng ta di chuyển chậm hơn so với các thiên hà ở xa, vì chúng ít có 'dấu vết chuyển màu đỏ'. Từ đó, phương pháp đo lường khoảng cách giữa các thiên hà được suy ra, thông qua việc đo lường các dấu vết chuyển màu đỏ.
Đặc biệt hơn, mối quan hệ giữa bước chuyển đỏ và khoảng cách giữa các thiên hà phụ thuộc vào sự tiến triển của sự mở rộng của Vũ trụ, có thể được suy luận thông qua các lý thuyết hiện có về lực hấp dẫn, về mật độ vật chất và năng lượng trong Vũ trụ.
Tất cả các giả định này đã được thử nghiệm thông qua một cuộc khảo sát quan sát mới của Vũ trụ, kèm theo một bản đồ 3D được tạo ra sau khi nghiên cứu về bước chuyển đỏ lớn. Cụ thể, Khảo sát Bầu trời Kỹ thuật số Sloan (SDSS) là nghiên cứu đầu tiên sử dụng kính thiên văn chuyên dụng để đo lường bước chuyển đỏ của hàng triệu thiên hà, tạo ra một bản đồ Vũ trụ với quy mô chưa từng có.
Bản đồ từ SDSS bao gồm hàng trăm siêu cụm thiên hà, những sợi thiên hà - cấu trúc lớn nhất trong không gian với kích thước từ 200 đến 500 triệu năm ánh sáng, và nó đã dẫn đến một phát hiện bất ngờ: năng lượng tối.
Bản đồ này chỉ ra rằng mật độ vật chất trong Vũ trụ thấp hơn so với ước lượng được sau khi quan sát Bức xạ nền Vi sóng Vũ trụ - Cosmic Microwave Background - một dạng ánh sáng còn sót lại sau vụ nổ Big Bang.
Từ đó, các nhà khoa học suy luận rằng có một thành phần thiếu trong phương trình Vũ trụ, họ gọi là năng lượng tối, là nguyên nhân khiến cho Vũ trụ mở rộng theo mọi hướng và tạo ra nhiều khoảng không không chứa vật chất.
Câu đố ngày càng phức tạp, có thể cũng tỷ lệ thuận với sự mở rộng của Vũ trụ
Kết hợp tất cả các quan sát này, các nhà khoa học đã mở ra một chương mới, nhận thức được rằng Vũ trụ chứa 30% vật chất và 70% vật chất tối. Tuy nhiên, mặc dù hầu hết các nhà vật lý công nhận sự tồn tại của vật chất tối, nguồn gốc của nó vẫn là một bí ẩn.
Một lần nữa, khoa học phải đưa ra các giả thuyết, thử nghiệm, và chỉ chấp nhận sau khi chứng minh được. Nhiều nhà nghiên cứu tin rằng thứ năng lượng tồn tại trong chân không này có một giá trị nhất định, được gọi là “hằng số vũ trụ”. Các nhà khoa học khác nghĩ rằng thuyết tương đối của Einstein chưa đủ hoàn chỉnh để áp dụng vào quy mô lớn của Vũ trụ.
Các thiết bị mới như DESI sẽ cung cấp thêm thông tin cho chúng ta. Nó sẽ đo lường bước chuyển đỏ của hàng triệu thiên hà khác nhau, trong bán kính 10 tỷ năm ánh sáng quanh Trái Đất.
Một bản đồ chi tiết như vậy sẽ giúp chúng ta trả lời một số câu hỏi về năng lượng tối và giải thích một phần bí ẩn về cấu trúc của Vũ trụ. Ví dụ, chúng ta sẽ biết liệu năng lượng tối có phải là một hằng số vũ trụ hay không.
Để làm điều này, họ sẽ đo lường áp lực mà năng lượng tối tạo ra trên Vũ trụ, tính theo lượng năng lượng trong mỗi đơn vị thể tích. Nếu năng lượng tối là hằng số, tỷ lệ này sẽ không đổi theo thời gian và không gian. Nếu chúng ta có một hằng số - một điểm mốc để dựa vào, những giả thuyết mới sẽ phát triển.
DESI có thể thay đổi, thậm chí bác bỏ các thuyết liên quan đến lực hấp dẫn hiện có. Điều này sẽ là một bước tiến trong vật lý lý thuyết. Và DESI chỉ là một trong số nhiều thử nghiệm, nghiên cứu về năng lượng tối sẽ tiếp tục trong thập kỷ tới, mang lại hy vọng và một tương lai không bị che mắt bởi năng lượng 'tối'.
Dựa trên bài viết của giáo sư vật lý vũ trụ Bob Nichol, được đăng trên The Conversation.
